Un aperçu de l'analyse des biomarqueurs d'alcénones pour la paléothermométrie

La paléothermométrie est le calcul des températures passées par l’analyse de produits chimiques spécifiques dans des échantillons naturels, comme ceux laissés par les algues préhistoriques.

Les algues sont un groupe diversifié d'organismes qui ont été abondants dans les océans et les lacs de la Terre pendant des millénaires. Certains composés chimiques, qui sont déposés dans les sédiments par d’anciennes algues, agissent comme des biomarqueurs – des composés organiques qui peuvent fournir aux chercheurs des informations précieuses sur l’histoire de la Terre. En fait, l’analyse de la teneur en biomarqueurs d’algues dans les sédiments permet aux chercheurs de déterminer la température de la Terre il y a des centaines de millions d’années.

L’une de ces mentions provient de certaines espèces de coccolithophores. Ces algues produisent des quantités variables d’alcénones, une classe de biomarqueurs robustes, en fonction de la température de leur environnement. L'analyse de l'alcénone est principalement utilisée pour calculer la température de surface de la mer des océans de la Terre il y a des éons et des éons.

Cette vidéo illustrera l’utilisation des alcénones en paléoclimatologie et décrira le processus d’isolement, de purification et d’analyse des alcénones pour calculer la température passée de la surface de la mer.

Comme son nom l’indique, la « paléothermométrie des alcénones » est basée sur l’analyse des lipides, connus sous le nom de alcénones. La paléothermométrie des alcénones est basée sur les alcénones ; Cétones alkyliques insaturées à longue chaîne contenant 37 atomes de carbone et 2 à 4 doubles liaisons. Chaque double liaison est un site d’insaturation. À de basses températures de surface de la mer, les producteurs d’alcénones produisent plus d’alcénones insaturés que d’alcénons saturés. Le rapport entre la saturation et l’insaturation est connu sous le nom d’indice d’insaturation de l’alcénone.

Les alcénones généralement évaluées sont C_37:2 et C_37:3, qui ont respectivement 37 carbones et deux ou trois doubles liaisons. L'indice d'insaturation de ces alcénones, ou U^K'₃₇, est positivement lié à la température de surface de la mer. La méthode analytique connue sous le nom de chromatographie en phase gazeuse est généralement suffisamment sensible pour séparer ces alcénones les unes des autres. Cependant, les algues productrices d’alcénones génèrent souvent des esters méthyliques d’acides gras chimiquement similaires, ou alcénoates, qui ne peuvent pas être distingués des alcénones utilisant cette technique. La contamination par les hydrocarbures due à la pollution peut également rendre l’analyse chromatographique boueuse. Pour déterminer avec précision la concentration relative en alcénones, les alcénoates et les hydrocarbures inconnus doivent être éliminés avant l’analyse par les méthodes de saponification et d’adduction d’urée.

Maintenant que la relation entre les rapports d'alcénone des sédiments et la température de surface de la mer a été examinée, examinons les techniques de purification à partir d'un extrait lipidique total et l'analyse du rapport d'insaturation.

Une fois les sédiments marins collectés et extraits, l’extrait lipidique total, ou TLE, doit passer par un processus de purification en plusieurs étapes et être analysé. Tout d’abord, l’extrait subit une saponification pour convertir les alcénoates en sels de carboxylate et en méthanol à l’aide d’une base forte et de chaleur. D’autres esters d’acides gras présents dans le TLE seront saponifiés en sels et en glycérol.

Après avoir refroidi le mélange à température ambiante, une solution aqueuse de sel est ajoutée pour former des sels et du glycérol. Le mélange est ensuite acidifié pour protoner les anions carboxylates, produisant des acides gras. Enfin, les alcénones et les acides gras sont extraits du mélange avec de l’hexane.

Une chromatographie sur gel de silice est ensuite réalisée pour éliminer à la fois les composés apolaires et les acides gras polaires produits par saponification. Le TLE séché et saponifié est dissous dans de l’hexane puis chargé sur une colonne. La silice retient les composés polaires plus fortement que les composés apolaires.

Tout d’abord, les composés apolaires sont éliminés avec un solvant apolaire, comme l’hexane. Ensuite, les alcénones sont éluées par un solvant modérément polaire, tel que le dichlorométhane, laissant les acides gras hautement polaires et autres composés polaires indésirables sur la colonne.

Si l’échantillon de sédiment d’origine a été prélevé dans une zone très polluée, une adduction d’urée est effectuée pour éliminer tous les hydrocarbures hautement ramifiés ou cycliques restants. La fraction de polarité moyenne séchée est dissoute dans un mélange de solvants dans lequel l’urée fortement polaire est peu soluble, comme le DCM et l’hexane. Une solution concentrée d’urée dans du méthanol est ensuite ajoutée au TLE, provoquant la précipitation des cristaux d’urée.

Les molécules à chaîne droite telles que les alcénones s’insèrent dans les espaces entre les molécules du réseau cristallin d’urée, mais les molécules hautement ramifiées et cycliques ne le font pas et sont expulsées.

Une fois la croissance cristalline terminée, les cristaux d’urée sont séchés puis lavés avec un solvant apolaire pour éliminer les composés expulsés. Ensuite, les cristaux sont dissous dans une petite quantité d’eau. Les alcénones sont extraites de l’eau à l’aide d’un solvant apolaire pour analyse.

Bien que toutes les étapes de purification précédentes n’aient pas permis de différencier les espèces d’alcénones, de petites différences de point d’ébullition et de structure moléculaire sont suffisantes pour la séparation sur une colonne de chromatographie en phase gazeuse. Lorsqu’il est associé à un détecteur à ionisation de flamme, les concentrations relatives des alcénones peuvent être déterminées.

Les molécules sont identifiées sur le chromatogramme par leur temps de rétention, c’est-à-dire le temps nécessaire pour que le composé sorte de la colonne. Les temps de rétention des composés souhaités sont déterminés à l’aide d’étalons d’alcénones.

Les concentrations relatives des alcénones sont déterminées à partir de l’analyse des zones sous les pics d’intérêt. La valeur U^K'₃₇ est ensuite calculée à partir des concentrations de C_37:2et C_37:3 dans l'échantillon. Avec la relation proxy de température de surface de la mer et la valeur U^K'₃₇, l'analyste peut calculer la température de surface de la mer au moment du dépôt de sédiments.

De nombreuses facettes de l'histoire de la Terre peuvent être étudiées par l'analyse des sédiments et des roches sédimentaires.

La biostratigraphie est l’étude de la détermination de l’âge des couches, ou strates, de roche par l’analyse des fossiles présents. Comme il existe de nombreuses sources de sédiments, les roches sédimentaires de la même période peuvent avoir des compositions radicalement différentes dans le monde. Certains ensembles d'espèces tout au long de l'histoire de la Terre, tels que les ammonites, ont existé dans le monde entier et ont connu une évolution rapide. Si des strates rocheuses visuellement différentes contiennent toutes deux la même espèce d’ammonite, alors une corrélation temporelle entre les strates peut être établie. Lorsqu'elles sont combinées à des techniques telles que la paléothermométrie, des informations détaillées sur l'histoire de la Terre peuvent être déterminées à partir des archives fossiles d'échantillons naturels.

De nombreuses espèces de foraminifères, ou forams, se trouvent dans les sédiments marins du monde entier. Les forams ont des coquilles de carbonate de calcium et existent dans tous les océans de la Terre depuis des millions d'années. De nombreuses espèces vivent au fond de l’océan et peuvent donc fournir des informations sur la température des parties plus profondes de l’océan. Le rapport magnésium/calcium des forams correspond à la température, car ils incorporent plus de magnésium dans leur coquille dans les climats plus chauds. La multitude d'espèces et l'abondance de forams rendent leurs archives fossiles utiles pour suivre les changements dans les courants océaniques tout au long de l'histoire de la Terre et pour la biostratigraphie.

Au fur et à mesure que les plaques tectoniques divergent, de nouvelles roches se forment entre elles. En conséquence, les propriétés de la roche entourant une limite de plaque divergente fournissent des informations sur les mouvements des plaques au fil du temps. Par exemple, les changements dans le champ magnétique terrestre sont préservés dans certains minéraux trouvés dans les fossiles, les roches et les sédiments. La découverte de changements symétriques du magnétisme autour des dorsales médio-océaniques a contribué de manière significative à la compréhension actuelle de l’étalement des fonds marins et de la tectonique des plaques.

Vous venez de regarder l'aperçu de la paléothermométrie d'alcénone de JoVE. Vous devriez maintenant comprendre les principes de la paléothermométrie et la relation entre les rapports d’alcénone dans les sédiments marins et la température de surface de la mer. Les vidéos suivantes de cette série aborderont plus en détail ce processus complexe.

Merci d’avoir regardé !